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Dieser Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass gewisse innere Spannungen in gehärtetem Stahl sich mit durch äussere Kräfte verursachten Spannungen auf die Weise verbinden können, dass die Fähigkeit des Werkstoffes, den äusseren Kräften widerstehen zu können, wächst, während gewisse andere innere Spannungen eine gegenteilige Wirkung haben. Dies trifft besonders dann zu, wenn die äusseren Kräfte begrenzte Teile der Fläche angreifen, so dass nur gewisse Teile der Masse des Werkstoffes ihren Spannungszustand in höherem Masse ändern.
Untersuchungen des Spannungszustandes bei Körpern aus gehärtetem Stahl mit einer Härte über etwa 600 Brinell haben ergeben, dass die inneren Spannungen zweierlei Art sein können, nämlich einerseits sogenannte Mikrospannungen, die einander im Element des Materials das Gleichgewicht halten und seine Festigkeit, besonders die Härte, bestimmen, und anderseits sogenannte Makrospannungen, die zum überwiegenden Teil innerhalb eines grösseren Volumens des Werkstoffes gleichgerichtet sind und durch Kräfte in andern Volumen des Werkstoffes in Gleichgewicht gehalten werden.
Die Makrospannungen haben somit den gleichen Charakter wie die durch äussere Kräfte verursachten Spannungen.
Über die Verteilung und Richtung der Makrospannungen vorgenommene Untersuchungen haben erwiesen, dass der Werkstoff in und in der Nähe der Oberfläche des Körpers bedeutenden Zugspannungen ausgesetzt ist und dass in und um den innersten Teilen des Werkstoffes entsprechende Druckspannungen herrschen. Ferner hat es sich ergeben, dass die Spannungen in und in der Nähe
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inneren Spannungen herrschen.
Bei der Einwirkung von äusseren Kräften auf einen begrenzten Teil der Oberfläche eines Körpers, beispielsweise durch Belastung einer gegen den Körper ruhenden Kugel, tritt die gefährlichste Werkstoffbeanspruchung wahrscheinlich in kurzem Abstand von der Oberfläche auf, u. zw. unabhängig davon, ob sie durch die grösste Sehubbeanspruchung gekennzeichnet wird oder durch die grösste Gestaltänderungsarbeit auf einer in der Mitte der Druckfläche senkrecht zur Oberfläche stehenden Linie. In diesem gefährlichsten Punkt, dessen Spannungszustand für die Festigkeit des Werkstoffes
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Richtungen, doch ist die senkrecht zur Oberfläche gerichtete Druckspannung wesentlich grösser als diejenige in den übrigen Richtungen (in der Regel ungefähr dreimal so gross).
Dieser Unterschied in der Grösse der Spannungen ist es auch, der eine Gefahr für ein überschreiten der Festigkeitsgrenzen darstellt.
Wenn nun der Werkstoff in unbelastetem Zustand Makrospannungen hat, die den Charakter von Zugspannungen haben und in der Nähe der Oberfläche parallel zu ihr liegen, so wird die gefährliche Werkstoffbeanspruchung in hohem Masse erhöht, da der nach der Belastung vorhandene Unterschied zwischen den Spannungen in normaler und tangentialer Richtung dann stark erhöht wird.
Lediglieh senkrecht zur Oberfläche gerichtete Makrozugspannungen wirken vermindernd auf gefährliche Werkstoffbeanspruehungen ein. Diese theoretische Betrachtungsweise erklärt somit die gefundene
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Erscheinung, dass es gerade bei stellenweises Belastung vorteilhaft für die Festigkeit des Werkstoffes ist, dass Zugspannungen an der Oberfläche fehlen, und noch vorteilhafter, dass bereits vor Einwirkung der äusseren Belastung parallel zur Oberfläche Druckspannungen herrschen.
Die vorliegende Erfindung soll dazu dienen, die Kenntnis über den entscheidenden Einfluss der Makrospannungen auf die gefährlichen Werkstoffbeanspruchungèn in einem Körper zu verwerten, der stellenweise Belastungen ausgesetzt wird. Ein typischer Belastungsfall dieser Art, der von grosser praktischer Bedeutung ist, kommt bei Wälzlagern vor.
Die Erfindung wird in der Hauptsache dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Konstruktionsteil aus gehärtetem Stahl, besonders für Wälzlager, bei dem ein gewisser Teil der Oberfläche grossen Beanspruchungen durch äussere Kräfte ausgesetzt wird, in diesem durch äussere Kräfte beanspruchten Teil des Werkstoffes, der eine Härte von mindestens 600 Brinell hat, in unbelastetem Zustand praktisch genommen keine Makrozugspannungen in parallelen Richtungen zur Oberfläche dieses Teiles herrschen.
Bei der Prüfung einer grösseren Anzahl Wälzlager sind bisher die bei der gleichen Belastung erreichte Lebensdauer bei verschiedenen Exemplaren des gleichen Lagers sehr ungleich ausgefallen.
Diese sogenannte Streuung wird durch die Kurve 1 auf der Zeichnung veranschaulicht. Die Anzahl der geprüften Lager ist auf der waagrechten N-Achse angegeben. Die senkrechte L-Achse veranschaulicht die Lebensdauer der betreffenden Lager. Die Streuungskurve 1, die bei einer genügend grossen Anzahl Lager bisher grundsätzlich den gleichen Verlauf gehabt hat, u. zw. unabhängig von der Konstruktion und Grösse der Lager und verhältnismässig unabhängig von allen bisher bekannten Beschaffenheiten des Lagerwerkstoffes, zeigt einen sehr grossen Unterschied zwischen der längsten
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der mittleren Lebensdauer liegt. Die Streuung beträgt gewöhnlich 30-100 oder noch mehr.
Bei einer Prüfung von Kugellagern, die mit erfindungsgemäss behandelten Ringen ausgerüstet waren und praktisch genommen keine Makrospannungen aufwiesen, ergab sich eine Streuung nach Kurve 2. Diese zeigt nicht nur eine wesentlich grössere Gleichwertigkeit bei den verschiedenen Lagerstücken (Streuung 2-3), sondern auch wesentlich verlängerte Lebensdauerwerte. Die nach Kurve 1 mit einzelnen Lagern erreichbaren, verhältnismässig hohen Werte dürften auf das Verhältnis zurückzuführen sein, dass die Makrozugspannungen in diesen Lagern zufälligerweise besonders klein ausgefallen sind oder aber lokalisiert bzw. so gerichtet waren, dass sie nur in geringem Masse zu der Bildung der den Ermüdungseffekt bestimmenden Materialbeanspruchung beigetragen haben.
Dass die neue Streuungskurve 2 nicht vollkommen waagrecht verläuft, ist ganz natürlich, da der Werkstoff selbstverständlich Ungleichmässigkeiten aufweist, die in keinem Zusammenhang mit den Makrospannungen stehen.
Bei einer Prüfung von Wälzlagern nach dieser Erfindung, deren Teile Makrodruckspannungen in der Oberschicht aufwiesen, ergab sich eine Streuung nach der Kurve 3. Die Lebensdauer liegt hier noch höher als bei spannungslosem Werkstoff. Im Vergleich mit den besten bekannten Lagermarken betrug die Lebensdauer ungefähr das Zehnfache bzw. die Tragfähigkeit war mehr als verdoppelt worden.
(Unter Lebensdauer bzw. Tragfähigkeit ist hier die Lebensdauer bzw. Tragfähigkeit verstanden, die von 90% sämtlicher Lager überschritten wird und die auf den verschiedenen Kurven durch einen Punkt markiert worden ist.)
Das Feststellen des Vorhandenseins von Makrospannungen und ihr Charakter von Druck-oder Zugspannungen kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch Röntgenuntersuchung von Kristallgitterverformungen oder durch Messen der Abmessungs-oder Formänderungen von Körpern nach dem Entfernen einer örtlichen Werkstoffpartie.
Das Herbeiführen der gewünschten Eigenschaften beim Werkstoff geschieht grundsätzlich auf die Weise, dass die inneren Spannungen, im Werkstoff verstärkt, selbst in so grossem Masse Änderungen im Werkstoff herbeiführen, dass die Makrozugspannungen an der Oberfläche zum Verschwinden gebracht werden, ohne dass gleichzeitig die Mikrospannungen in nicht wünschenswertem Masse vermindert werden. Dies ist möglich, wenn der Werkstoff von der Härtetemperatur so weit abgekühlt wird, dass starke innere Spannungen entstehen, worauf diese Spannungen während einer gewissen Zeit wirken müssen, ehe eine Temperatursteigerung vorgenommen wird. Die Zeit, unter welcher die Spannungen wirken müssen, ist stark von der Temperatur abhängig, auf welcher die Körper gehalten werden.
Wird der Körper nach dem Härten auf etwa dem Gefrierpunkt abgekühlt, ist eine sehr lange Zeit für die Wirkung der inneren Spannungen und ein darauffolgendes Anlassen auf eine verhältnismässig hohe Temperatur erforderlich. Wird dagegen der Körper auf wesentlich niedrigere Temperaturen abgekühlt, eventuell nachdem er erst auf Zimmertemperatur gebracht worden ist und während längerer oder kürzerer Zeit auf dieser Temperatur gehalten wurde, dann wird die erforderliche Wirkungszeit abgekürzt. Geht man auf-50 C oder noch weiter herunter, dann wirken die Spannungen so gut wie augenblicklich, und der gewünschte Spannungszustand wird nach einer Temperatursteigerung auf eine Gradzahl erhalten, bei welcher die Mikrospannungen hoch verbleiben.
Bei Körpern mit geeigneter Form und Analyse kann man direkt von der Härtetemperatur, z. B. +850 C, auf beispielsweise -1000 C heruntergehen. In der Regel ist es jedoch notwendig, die Abkühlung stufenweise vorzunehmen und den Körper während einer gewissen Zeit auf eine oder mehrere
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dazwischenliegende Temperaturen zu halten. Es hat sich auch erwiesen, dass eine derartige Verfahrensweise wesentliche wirtschaftliche Vorteile bietet.
Eine genügende Aktivität der inneren Spannungen kann auch durch ihr Zusammenwirken mit durch äussere Kräfte verursachten Spannungen, z. B. einen allseitigen Druck, eine Erschütterung od. dgl., verursacht werden. Eine besonders kräftige Wirkung ist durch die Kombination einer Temperatursenkung und der Einwirkung äusserer Kräfte erzielbar.
Ein einfaches Verfahren zur Erzielung von Wälzlagerteilen nach dieser Erfindung aus einem Werkstoff mit etwa 1% C, 1% Cl'und 1 % Mn besteht darin, von der Härtetemperatur, etwa +850 C, eine gewöhnliche schnelle Abkühlung auf ungefähr Zimmertemperatur herbeizuführen und darauf den Körper in einer zweckmässigen Flüssigkeit, z. B. Alkohol, auf etwa-30 C abzukühlen. Darauf wird der Körper unmittelbar auf ein anderes, ähnliches Bad überführt, das auf -780 C abgekÜhlt ist, worin er verbleibt, bis er die Temperatur des Bades angenommen hat. Hierauf wird der Teil wieder in das erste Bad gelegt, von welchem er Wärme entnimmt, weshalb dieses erste Bad kein besonderes Kühlmittel erfordert. Ein geeignetes Kühlmittel für das zweite Bad ist Kohlensäuresehnee.
Nach dem Kühlen werden die Teile bei einer Temperatur und während einer Zeit angelassen, die ihnen eine Härte von etwa 660-670 Brinell gibt, wenn man einen praktisch genommen von Makrospannungen vollständig freien Werkstoff wünscht. In der Regel wird die Anlasstemperatur zwischen +200 und +250 C liegen.
Ein wirksameres Verfahren besteht darin, nach dem Härten ein stufenweises Abkühlen auf - 25 ,-50 ,-75 und-100 C vorzunehmen. Zur Erzielung der niedrigsten Temperatur in dieser Reihe wird am besten ein unterbrochenes Linde-Verfahren verwendet. Man kommt dann bei der gleichen Anlasstemperatur wie im vorgenannten Fall auf eine grössere Härte und höhere Tragfähigkeit.
Eine besonders günstige Verfahrensweise besteht darin, den Körper zwischen dem Härten und Abkühlen längere Zeit auf Zimmertemperatur zu halten. Ferner ist es vorteilhaft, auf die gleiche Weise zwischen dem Abkühlen und dem Anlassen zu verfahren.
Die Verstärkung der inneren Spannungen durch die Einwirkung äusserer Kräfte kann bei gleichzeitiger, vorhergehender oder nachherige Abkühlung erfolgen. Hiebei kann man den Teil beispielsweise in einen elektromagnetischen Schwingungskreis einsetzen, so dass der Teil in starke Erschütterungen gerät. Eine solche Erschütterung lässt sich am einfachsten erzielen, wenn man dafür sorgt, dass die Frequenz der elektromagnetischen Schwingungen mit der Frequenz der mechanischen Eigenschwingungen des Teiles übereinstimmt. Die hiefür notwendige Anordnung besteht aus einem gewöhnlichen Tonfrequenzgenerator, in welchem der zu behandelnde Teil als Stimmgabel eingeschaltet ist.
Selbstverständlich kann das Behandlungsverfahren auf sehr verschiedene Weise vorgenommen werden. Die Änderungen im Spannungszustand und in der Struktur im Verlauf verschiedener Verfahnmgsweisen ist selbstverständlich im einzelnen viel zu kompliziert, um genau festgestellt werden zu können. Eine Feststellung der für jeden einzelnen Fall geeignetsten Verfahrungsweise ist jedoch nach mit gewöhnlichen Fachkenntnissen ausgeführten Durchforschungen der Ergebnisse von ver- schiedenen Verfahrungsweisen möglich.
Diese Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht ausschliesslich auf Teile für Wälzlager, sondern lässt sich auch bei einer grossen Anzahl anderer Konstruktionsteile verwenden, die ähnlichen Belastungsfällen ausgesetzt sind, beispielsweise Stützzapfen für Schleusentore, Briickenstützen, Matrizen, Schlagwerkzeugen u. dgl.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Werkstück aus gehärtetem Stahl, mit einer Brinellhärte von mindestens 600, für Konstruktionsteile, deren Oberfläche zum Teil grossen Beanspruchungen durch äussere Kräfte ausgesetzt wird, besonders für Wälzlager, dadurch gekennzeichnet, dass in dem durch äussere Kräfte beanspruchten Teil des Werkstoffes im unbelasteten Zustande praktisch keine Makrozugspannungen parallel zur Oberfläche herrschen.